鐵路施工組織全過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究

曹政國(guó)，艾桂友，李 致

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 工程經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)研究院，成都 610031）

鐵路施工組織設(shè)計(jì)包括外業(yè)調(diào)查、內(nèi)業(yè)整理及后期的數(shù)據(jù)分析計(jì)算和成果輸出。目前，國(guó)內(nèi)的工作方式還比較傳統(tǒng)，大部分采用人工方式進(jìn)行，盡管部分環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了信息化，但整體上仍存在設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、耗費(fèi)人力多、數(shù)據(jù)處理量大、易出錯(cuò)等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足鐵路建設(shè)快速發(fā)展的需要。因此，急需轉(zhuǎn)變工作方式，充分利用信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)由人工或半自動(dòng)化向全自動(dòng)化的轉(zhuǎn)變，以提高工作效率和質(zhì)量。另外，鐵路施工組織設(shè)計(jì)是一項(xiàng)由多個(gè)過(guò)程組成的設(shè)計(jì)工作，各過(guò)程環(huán)環(huán)相扣，緊密相連，任何一個(gè)過(guò)程沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化都會(huì)影響整個(gè)設(shè)計(jì)工作的自動(dòng)化率，因此，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工作的全自動(dòng)化，有必要對(duì)鐵路施工組織全過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于鐵路施工組織自動(dòng)化設(shè)計(jì)的研究尚少，所做的研究?jī)H限于自動(dòng)繪制施工組織進(jìn)度圖方面[1-4]。近年來(lái)，隨著建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者提出將BIM技術(shù)應(yīng)用在鐵路設(shè)計(jì)中[5-10]，還有學(xué)者提出在鐵路施工組織設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)的方案[11]，以提高工作效率和質(zhì)量。這些研究雖然部分實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化設(shè)計(jì)，但由于BIM軟件的局限性，尚未實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)。針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于大數(shù)據(jù)和信息化技術(shù)，研究實(shí)現(xiàn)了鐵路施工組織的全過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)。

1 鐵路施工組織全過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)的基本條件

要實(shí)現(xiàn)鐵路施工組織全過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，需要具備以下基本條件。

1.1 地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及鐵路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括鐵路沿線(xiàn)的地圖數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)、經(jīng)緯度坐標(biāo)、等高線(xiàn)等；鐵路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包括鐵路線(xiàn)路、站場(chǎng)、路基、橋梁、隧道、軌道等專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。根據(jù)GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和鐵路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可自動(dòng)感知建設(shè)工程周?chē)乩砜臻g信息，用于大型臨時(shí)設(shè)施（簡(jiǎn)稱(chēng)：大臨）工程自動(dòng)規(guī)劃和材料運(yùn)輸路線(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃等。地圖數(shù)據(jù)和交通數(shù)據(jù)可在相應(yīng)官網(wǎng)獲取。等高線(xiàn)數(shù)據(jù)則可通過(guò)航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)（SRTM，Shuttle Radar Topography Mission）數(shù)據(jù)獲得矢量數(shù)據(jù)，再由柵格地圖渲染器（Mapnik）把矢量數(shù)據(jù)渲染成柵格圖片以供使用。

1.2 具有大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和能力

鐵路施工組織自動(dòng)化設(shè)計(jì)需要處理大量數(shù)據(jù)，如展示設(shè)計(jì)線(xiàn)位須加載標(biāo)記語(yǔ)言（KML，Keyhole Markup Language）數(shù)據(jù)文件，讀取線(xiàn)路坐標(biāo)信息，并在大量數(shù)據(jù)中提取斷鏈信息和里程信息用于工點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)的計(jì)算和轉(zhuǎn)換。在自動(dòng)規(guī)劃大臨便道時(shí)需提取鐵路沿線(xiàn)所有等高線(xiàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算分析判斷等高線(xiàn)走向及分布密集程度，根據(jù)公路選線(xiàn)規(guī)范，確定大臨便道設(shè)計(jì)方案。在自動(dòng)規(guī)劃梁部砂、道砟一類(lèi)需長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)牟牧线\(yùn)輸路線(xiàn)時(shí)，由于運(yùn)輸方式有鐵路、公路，須遍歷全國(guó)鐵路路網(wǎng)數(shù)據(jù)和公路路網(wǎng)數(shù)據(jù)，并結(jié)合運(yùn)價(jià)因素，通過(guò)分析計(jì)算，確定最優(yōu)運(yùn)輸路線(xiàn)。上述自動(dòng)化設(shè)計(jì)需要提取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量至少百萬(wàn)級(jí)別，須分析計(jì)算的過(guò)程數(shù)據(jù)量更是多至上億級(jí)別，只有具備了大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和能力，才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。

1.3 具有可進(jìn)行信息交流的協(xié)同平臺(tái)

鐵路施工組織設(shè)計(jì)需要多專(zhuān)業(yè)協(xié)同配合，既須獲取站前、站后各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)信息，也須將施組設(shè)計(jì)信息反饋給站前、站后各專(zhuān)業(yè)。用傳統(tǒng)手工方式進(jìn)行設(shè)計(jì)信息交流，工作量大、效率低、數(shù)據(jù)更新慢、經(jīng)常不一致，無(wú)法用于自動(dòng)化設(shè)計(jì)。因此，若要實(shí)現(xiàn)鐵路施工組織自動(dòng)化設(shè)計(jì)須構(gòu)建協(xié)同平臺(tái)，共享設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，打破各專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)狀。協(xié)同平臺(tái)需要設(shè)置大容量數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)一管理，及時(shí)更新，基于標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)提取及交互。

1.4 移動(dòng)設(shè)備、服務(wù)器等支持設(shè)備

移動(dòng)端具有顯示地圖、導(dǎo)航、定位記錄軌跡線(xiàn)、拍照錄音等功能，可用于鐵路施工組織外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。服務(wù)器具有容量大、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，可存儲(chǔ)大量設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，也可作為不同終端間數(shù)據(jù)通信的中轉(zhuǎn)站。

2 鐵路施工組織全過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法

鐵路施工組織全過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)遵循鐵路施工組織設(shè)計(jì)指南及規(guī)范[12-13]，其方法是在施工組織調(diào)查、施工組織設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié)利用硬件設(shè)備和軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并與現(xiàn)行造價(jià)軟件相連接共享數(shù)據(jù)。鐵路施工組織全過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 鐵路施工組織全過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程

2.1 構(gòu)建鐵路項(xiàng)目數(shù)據(jù)環(huán)境

鐵路項(xiàng)目施工組織自動(dòng)化設(shè)計(jì)需要有大量的項(xiàng)目數(shù)據(jù)做支撐，包括鐵路項(xiàng)目周邊的GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和鐵路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。可獨(dú)立設(shè)置存儲(chǔ)有GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的服務(wù)器，從該服務(wù)器上自動(dòng)獲取或直接通過(guò)相關(guān)網(wǎng)站獲取；對(duì)于鐵路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，可從預(yù)先構(gòu)建的協(xié)同平臺(tái)上自動(dòng)獲取，并存儲(chǔ)到項(xiàng)目服務(wù)器上，為后續(xù)的施工組織自動(dòng)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)環(huán)境，并為不同終端間的數(shù)據(jù)共享創(chuàng)造條件。

2.2 外業(yè)調(diào)查采集數(shù)據(jù)

外業(yè)調(diào)查前，移動(dòng)端設(shè)備與項(xiàng)目服務(wù)器相連，下載項(xiàng)目數(shù)據(jù)并構(gòu)建移動(dòng)端項(xiàng)目數(shù)據(jù)環(huán)境。外業(yè)調(diào)查時(shí)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)移動(dòng)端設(shè)備查看設(shè)計(jì)線(xiàn)位及鐵路沿線(xiàn)的地形地貌情況，利用其導(dǎo)航功能自動(dòng)導(dǎo)航到工點(diǎn)；利用其定位記錄軌跡線(xiàn)功能自動(dòng)記錄鐵路、公路路線(xiàn)及料源點(diǎn)位置，大臨工程的規(guī)劃草圖；利用其拍照錄音功能實(shí)時(shí)拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片、錄制調(diào)查對(duì)話(huà)音頻，并自動(dòng)將照片和音頻按照工程類(lèi)別和名稱(chēng)進(jìn)行整理歸檔。外業(yè)調(diào)查完成后，將移動(dòng)端設(shè)備與項(xiàng)目服務(wù)器相連，上傳數(shù)據(jù)至項(xiàng)目服務(wù)器，完成外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。

2.3 內(nèi)業(yè)整理匯總數(shù)據(jù)

移動(dòng)端采集的數(shù)據(jù)有過(guò)于簡(jiǎn)略或冗余的問(wèn)題，需要在PC端進(jìn)行整理，進(jìn)一步補(bǔ)充完善數(shù)據(jù)，達(dá)到后續(xù)進(jìn)行施工組織自動(dòng)化設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)條件。

對(duì)于工點(diǎn)，尤其是控制工程和重點(diǎn)工程需進(jìn)一步補(bǔ)充相關(guān)信息，如：自然特征、施工條件、施工方案等。對(duì)于交通運(yùn)輸，需要將斷路的道路進(jìn)行連通，基于拓?fù)浞治鲈?，利用PostGIS數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)路網(wǎng)（公路、鐵路、水運(yùn)等網(wǎng)絡(luò)）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找到不連通的道路，通過(guò)添加點(diǎn)、延長(zhǎng)線(xiàn)等方式實(shí)現(xiàn)道路的自動(dòng)連通，從而構(gòu)建鐵路沿線(xiàn)完整路網(wǎng)。對(duì)于大臨便道，需要進(jìn)一步確定設(shè)計(jì)方案，在PC端基于等高線(xiàn)數(shù)據(jù)，在滿(mǎn)足坡度、轉(zhuǎn)彎半徑等相關(guān)規(guī)范的要求下，利用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)劃出最短折線(xiàn)路徑，采用Chaikins算法將折線(xiàn)路徑曲線(xiàn)化，實(shí)現(xiàn)大臨便道的自動(dòng)規(guī)劃。

2.4 自主進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)

基于外業(yè)調(diào)查和內(nèi)業(yè)整理的數(shù)據(jù)，在PC端可進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、計(jì)算并生成施工組織成果。

2.4.1 統(tǒng)計(jì)大臨工程數(shù)量

根據(jù)大臨工程的位置坐標(biāo)，利用PC端GIS平臺(tái)功能可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)一定里程范圍內(nèi)的大臨工程對(duì)象數(shù)，并按照單元?jiǎng)澐肿詣?dòng)統(tǒng)計(jì)出各單元大臨工程數(shù)量。

2.4.2 分析重點(diǎn)大臨工程供應(yīng)范圍

對(duì)于鋪軌基地、梁場(chǎng)、軌枕板場(chǎng)等重點(diǎn)大臨工程，根據(jù)線(xiàn)路的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，將大臨工程在GIS平臺(tái)上的地理分布關(guān)系轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，計(jì)算重點(diǎn)大臨工程到工點(diǎn)的運(yùn)輸距離，基于平衡合理原則，自動(dòng)分析供應(yīng)范圍，并根據(jù)已確定的供應(yīng)范圍，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)鋪軌、架梁、鋪設(shè)軌枕板的數(shù)量和運(yùn)距。

2.4.3 規(guī)劃材料運(yùn)輸方案

根據(jù)已有的料源點(diǎn)坐標(biāo)、工點(diǎn)坐標(biāo)及已構(gòu)建的鐵路沿線(xiàn)路網(wǎng)數(shù)據(jù)，基于Dijkstra算法規(guī)劃料源點(diǎn)至工點(diǎn)的最短、最優(yōu)運(yùn)輸路線(xiàn)并計(jì)算其距離，獲取最優(yōu)運(yùn)距。在計(jì)算出所有工點(diǎn)各類(lèi)材料的運(yùn)輸距離后，按照單元?jiǎng)澐?，采用加?quán)平均法計(jì)算線(xiàn)路、橋梁、隧道等工程各類(lèi)材料的運(yùn)輸距離，實(shí)現(xiàn)材料運(yùn)輸方案的自動(dòng)規(guī)劃。

2.4.4 生成施工組織平面圖

根據(jù)項(xiàng)目GIS平臺(tái)上已有的工點(diǎn)、大臨工程、交通、料源點(diǎn)數(shù)據(jù)，基于CAD、PostGIS技術(shù)按照設(shè)計(jì)線(xiàn)路走向裁剪地圖區(qū)域成像，通過(guò)設(shè)計(jì)線(xiàn)路彎曲角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并將旋轉(zhuǎn)后的地圖成像數(shù)據(jù)進(jìn)行平移、組裝、合成，自動(dòng)生成施工組織平面圖。

2.4.5 生成施工組織進(jìn)度圖

根據(jù)已有的工點(diǎn)、大臨工程數(shù)據(jù)及工期指標(biāo)數(shù)據(jù)[14]，通過(guò)工程數(shù)量和對(duì)應(yīng)工期指標(biāo)計(jì)算出各項(xiàng)工程所需工期，再按里程順序自下而上計(jì)算各項(xiàng)工程的開(kāi)工和完工時(shí)間。采用CAD技術(shù)，根據(jù)橫軸里程、縱軸時(shí)間的位置關(guān)系進(jìn)行繪制，自動(dòng)生成施工組織進(jìn)度圖。

2.4.6 生成施工組織說(shuō)明

預(yù)先制定模板，根據(jù)模板自動(dòng)生成施工組織說(shuō)明。模板分成固定和變化兩部分，固定部分為通用文本，如大綱結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)施工工藝等；變化部分為項(xiàng)目設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和分析、計(jì)算后的數(shù)據(jù)，如工程概況、地區(qū)特征、施工組織方案、資源配置方案等，將變化部分設(shè)置成變量，當(dāng)數(shù)據(jù)源發(fā)生變化時(shí)，可快速更新施工組織說(shuō)明。

2.4.7 生成施工進(jìn)度計(jì)劃

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)度圖中箱梁場(chǎng)、T梁場(chǎng)、軌枕場(chǎng)、軌道板場(chǎng)、鋪軌（架）基地的工程數(shù)量、里程信息、施工區(qū)段、時(shí)間安排、施工方向，可以自動(dòng)生成鐵路項(xiàng)目的架梁進(jìn)度計(jì)劃、鋪無(wú)砟道床進(jìn)度計(jì)劃、鋪軌（架）進(jìn)度計(jì)劃。

2.5 與造價(jià)軟件關(guān)聯(lián)共享成果數(shù)據(jù)

通過(guò)把施工組織項(xiàng)目與現(xiàn)行造價(jià)軟件的服務(wù)器相連接，將鐵路施工組織項(xiàng)目服務(wù)器中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到現(xiàn)行造價(jià)軟件服務(wù)器的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)表中，實(shí)現(xiàn)成果數(shù)據(jù)共享。需要按照方案名稱(chēng)，將材料運(yùn)輸方案的各種材料運(yùn)輸方式、運(yùn)距、裝卸次數(shù)等數(shù)據(jù)導(dǎo)入現(xiàn)行造價(jià)軟件中，使之在程序界面中顯示出來(lái)，并計(jì)算材料運(yùn)輸單價(jià)；大臨工程需要內(nèi)置概算模板，在概算模板中建立工程數(shù)量與概算的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)工程數(shù)量自動(dòng)編制大臨工程概算的原始數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到現(xiàn)行造價(jià)軟件中計(jì)算大臨工程的單項(xiàng)概算。

3 方法應(yīng)用

本文基于上述鐵路施工組織全過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)的方法，開(kāi)發(fā)了鐵路工程施工組織及造價(jià)一體化編制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)：一體化編制系統(tǒng)），該系統(tǒng)采用C/S設(shè)計(jì)模式，使用Android、WinForm、Windows Communication Foundation（ WCF ）技術(shù)和SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。

一體化編制系統(tǒng)由移動(dòng)端、PC端、平臺(tái)運(yùn)行維護(hù)（簡(jiǎn)稱(chēng)：運(yùn)維）端組成。移動(dòng)端用于外業(yè)調(diào)查，支持在線(xiàn)、離線(xiàn)模式采集數(shù)據(jù)；PC端用于內(nèi)業(yè)整理和施工組織自動(dòng)化設(shè)計(jì)；平臺(tái)運(yùn)維端用于完成不同終端間的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。一體化編制系統(tǒng)移動(dòng)端主要由工程模塊、導(dǎo)航模塊、大臨模塊、料源模塊、交通模塊、上傳下載模塊組成； PC端主要由工程模塊、大臨模塊、料源模塊、交通模塊、分析計(jì)算模塊、成果模塊組成，一體化編制系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。程的供應(yīng)范圍和供應(yīng)數(shù)量，自動(dòng)構(gòu)建材料運(yùn)輸所需的交通系統(tǒng)和自動(dòng)規(guī)劃材料運(yùn)輸路線(xiàn)并生成材料運(yùn)輸方案，根據(jù)工程、大臨、料源和交通的分布情況自動(dòng)繪制施工組織平面圖，根據(jù)工程工期和重點(diǎn)大臨供應(yīng)情況，自動(dòng)進(jìn)行施工組織安排并繪制施工組織進(jìn)度圖，根據(jù)施工組織安排按年度分配工程數(shù)量、靜態(tài)投資和勞動(dòng)材料，自動(dòng)生成施工組織設(shè)計(jì)各類(lèi)成果附圖如圖3所示，各類(lèi)成果附表如圖4所示。

圖2 一體化編制系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

圖3 一體化編制系統(tǒng)成果附圖界面

圖4 一體化編制系統(tǒng)成果附表界面

一體化編制系統(tǒng)利用移動(dòng)端自動(dòng)采集施工組織外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，并上傳至PC端，在PC端可自動(dòng)設(shè)置、規(guī)劃施工便道等大臨工程，自動(dòng)計(jì)算重點(diǎn)大臨工

一體化編制系統(tǒng)已在渝西（重慶—西安）線(xiàn)、廣湛（廣州—湛江）線(xiàn)、成渝（成都—重慶）中線(xiàn)、敘畢（敘永—畢節(jié)）線(xiàn)等鐵路項(xiàng)目上進(jìn)行了應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，一體化編制系統(tǒng)顯著提高了施工組織設(shè)計(jì)中外業(yè)調(diào)查和內(nèi)業(yè)整理的生產(chǎn)效率。同時(shí)，施工組織設(shè)計(jì)文件在審查過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，說(shuō)明該系統(tǒng)可有效保證文件質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)鐵路建設(shè)項(xiàng)目采用人工方式進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)、工作效率低、設(shè)計(jì)文件質(zhì)量不易保證等問(wèn)題，提出了基于大數(shù)據(jù)和信息化技術(shù)進(jìn)行鐵路施工組織全過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)的方法，并開(kāi)發(fā)了鐵路工程施工組織及造價(jià)一體化編制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)分析自動(dòng)確定工點(diǎn)、大臨工程、交通、料源點(diǎn)之間的位置關(guān)系，用于分配材料供應(yīng)范圍并規(guī)劃材料運(yùn)輸方案，進(jìn)行施工便道設(shè)計(jì)，計(jì)算重點(diǎn)大臨工程供應(yīng)數(shù)量并安排施工組織方案，同時(shí)，解決鐵路施工組織設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)接口多、數(shù)據(jù)獲取不易等問(wèn)題，有效促進(jìn)各專(zhuān)業(yè)間的信息交流和數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)的應(yīng)用顯著提高了鐵路施工組織設(shè)計(jì)的工作效率，保障了成果質(zhì)量，對(duì)鐵路、公路等線(xiàn)性工程的施工組織自動(dòng)化設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。